EP0969997B1 - Schienenfahrzeug mit knickgelenk - Google Patents

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EP0969997B1
EP0969997B1 EP98917003A EP98917003A EP0969997B1 EP 0969997 B1 EP0969997 B1 EP 0969997B1 EP 98917003 A EP98917003 A EP 98917003A EP 98917003 A EP98917003 A EP 98917003A EP 0969997 B1 EP0969997 B1 EP 0969997B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
angle
bogie
rotation
articulation
actual
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98917003A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0969997A2 (de
Inventor
Andreas Strasser
Ulrich Hachmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bombardier Transportation GmbH
Original Assignee
DaimlerChrysler Rail Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler Rail Systems GmbH filed Critical DaimlerChrysler Rail Systems GmbH
Publication of EP0969997A2 publication Critical patent/EP0969997A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0969997B1 publication Critical patent/EP0969997B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D3/00—Wagons or vans
    • B61D3/10—Articulated vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/386—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles fluid actuated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/44—Adjustment controlled by movements of vehicle body
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the invention relates to a rail vehicle according to the preamble of the first claim, a use of this rail vehicle according to claim 2, and a method for controlling the kink angle in such a Rail vehicle according to the preamble of claim 3.
  • a known rail vehicle of this type there are two Car bodies coupled together via a single-axis articulated joint.
  • the car bodies are based here on one arranged approximately in the middle of the body multi-axle bogie.
  • the bogies are opposite to the associated one Car body can be swiveled around a vertical axis.
  • the car bodies are to both Coupled sides of the articulated joint via controllable links.
  • the control the actuators are dependent on potentiometers as control means, which the Angle of rotation between the respective bogie and the associated car body as well as the kink angle of the articulated joint.
  • the actuators are controlled in the way that the angles of rotation are each the same size.
  • Another rail vehicle (DE-A 2854776) is particularly a tram train trained and consists of two car bodies, each on an approximately in Two-axle bogie arranged in the center of the wagon is supported.
  • the two Car bodies are at their mutually facing ends via an articulated joint coupled, the only pivot axis is vertical.
  • the twist angle between the respective bogie and the associated car body is by means of a Control mechanism with coupled distance sensor and the articulation angle above at least one distance sensor assigned to the articulated joint is determined.
  • the signals generated by the distance sensors are fed to a control unit, which one asymmetrical or two actuators arranged symmetrically to the articulated joint controls.
  • the articulation angle of the articulated joint is influenced so that the biaxial, bogie-less bogies on which the car bodies are elastic Secondary springs are supported, completely exempt from the function of the power donor should be.
  • the actuator arrangement blocks the articulated joint Straight ahead in a position over the middle of the track and enforces this when traveling through bends Buckling of the articulated joint to the outside of the curve of the track road to improve To achieve use of the clearance when cornering the rail vehicle.
  • the object of the invention is a generic rail vehicle and a method to control the same, by which the car bodies at dynamic Driving under improved force control in each case controlled in a position to each other which corresponds to the static position in the current track section.
  • the current articulation angle of the articulation and on the other hand the angle of rotation between the bogies and the associated car bodies.
  • the current actual values this angle is added according to the sign, the angle of rotation between the is negated in the direction of travel first bogie and the associated car body.
  • the total result of this addition is the measure of the target articulation angle that the joint under the current operating conditions. As long as on straight track is the sum of the current twist angle from the current kink angle deviates, the buckling of the articulated joint is controlled by mechanical actuators counteracted.
  • actuators can between the bogie and associated Car body can be provided and by changing the actual value of the angle of rotation inevitably affect the articulation angle of the articulated joint.
  • the actuators can be controlled Damping elements act that change the angle of rotation as long counteract how the external forces act against the setpoint Cause actual value change.
  • the actuators can be controlled Damping elements act that change the angle of rotation as long counteract how the external forces act against the setpoint Cause actual value change.
  • the damping effect of the damping elements is canceled. Emotional the actual value approaches the setpoint too quickly, so that Overshoot is to be expected, the actual value change is caused by switching on the damping effect shortly before reaching the Setpoint braked.
  • the actuators can be active Act control elements that are not just of the setpoint counteract running away actual value changes, but also in the event of a lack of external restoring forces, the return of the actual value to the setpoint.
  • a two-part rail vehicle with an articulated joint a vertical axis of rotation between the two car bodies and elastic return elements between the body and the respective bogie occupies the smallest clearance in static rest position. For this condition found that the twist angle when the train stopped approximately the same on any real track route are.
  • Control of the articulation angle to be moved so that initially the current angle of rotation between the bogies and the associated car body and the current one Kink angle at the articulation taking into account the positive or negative sign of the angle at least during the Driving operations are measured repeatedly.
  • the Coupling rods each have a joint on the second carriage of the leading train and on the first carriage of the following Train are articulated, then all coupled trains for operate on the same tax principle.
  • the Angle of rotation controlled to a setpoint that the arithmetic mean of the currently in dynamic operation measured two twist angles.
  • the invention is based on the sketches of a Embodiment explained in more detail.
  • two car bodies 1, 2 are provided, each on just one in the middle of the body arranged biaxial bogie 4 without bogie support two elastic secondary spring elements 5 each.
  • the secondary spring elements 5 are in turn on a transverse to Line along the longitudinal axis of the respective car body arranged.
  • the secondary springs 5 in addition to their vertical Spring characteristic additionally a twist by one virtual vertical axis and a limited transverse displacement to.
  • the respective car body 1, 2 can be in one parallel plane to the associated bogie 4 in limited Twist the measure and move it to the side.
  • the angle of rotation sensors 6 When the longitudinal axes of the bogie 4 and the associated car body 1, 2 are aligned, the angle of rotation sensors 6 generate a value which corresponds to the angle of rotation A of zero degrees. If the car body turns clockwise relative to the bogie, a signal is generated that corresponds to a positive angle of rotation; if the car body rotates counterclockwise in relation to the associated bogie, a signal is output for a corresponding negative angular value.
  • An articulation angle sensor 9 is assigned to the articulated joint and generates an articulation angle signal corresponding to the articulation angle zero degrees when the longitudinal axes of the car bodies 1, 2 lie in a line.
  • an articulation angle signal is generated which corresponds to a positive articulation angle. If, on the other hand, the longitudinal axis of the second car body bends clockwise with respect to the longitudinal axis of the car body 1, an articulation angle signal corresponding to a negative articulation angle is generated.
  • the actual value signals K generated by the articulation angle sensor 9 are also fed as input signals to the control unit 7.
  • Each actuator element 10 has an actuator control input AST equipped with corresponding actuator control outputs AST1 and AST2 of the control unit 7 are connected.
  • the actuator elements 11 also have control inputs S which in turn to corresponding control outputs S 1 to S 4 Control unit 7 are connected.
  • the control operates in such a way that the car bodies 1, 2 depending on dynamic driving the currently measured actual values of the angle of rotation A and Kink angle K in a static state per se corresponding position with the help of the actuators 10 and, if necessary 11 can be controlled.
  • a constellation according to FIG. 2 there is a two-part system Rail vehicle on a straight track section 13.
  • the carriage 2 is in overrun, so that Articulated joint 8 and thus the longitudinal axes WKL 1 and WKL 2 compared to those in alignment with track section 13 horizontal bogie longitudinal axes DGL1 and DGL2 laterally be deflected.
  • the angle of rotation sensor 6 on the leading Carriage 1, 4 registers a positive one Angle of rotation A1, while the angle of rotation sensor 6 on the second Wagons 2, 4 have an equally large negative Angle of rotation A2 registered after the WKL2 body longitudinal axis in contrast to Car body longitudinal axis WKL 1 counterclockwise the bogie longitudinal axis 1 is rotated.
  • the current Knuckwinkel therefore takes a positive definition Buckling angle value K-Ist on, which according to FIG. 1 is the sum of the Absolute values correspond to the rotation angles A1-actual and A2-actual.
  • the result is formula-based condition the value zero.
  • the actuator (s) 10 or 11 must therefore be controlled so that the Kink angle is brought to the value zero, the Body axles 1 and 2 in alignment with the Bogie longitudinal axes 1 and 2 and thus with straight track 13 also lie parallel to its longitudinal axis.
  • the actuators 11 between Bogie 4 and associated car body 1 and / or 2 one change away from the setpoint by damping the Counteract twisting. If these damping measures is not sufficient, the control unit 7 can additionally Braking the second car 2, 4 or accelerating the instruct first, leading car 1, 4 or over Control the bogie drive motors. Get active force-introducing actuators 10 and / or 11 can be used necessary force components for supplying the actual kink angle value actively controlled to the articulation angle setpoint become.
  • the control unit 7 thus indicates the actuators 10, 11 in this case control signals that an increase in the currently measured kink angle cause. If the enlargement of the current kink angle actual value not due to a delay in the preceding car 1, 4 or accelerating the second carriage 2, 4, active force components of the actuators 10 must be the articulated joint intensified kink or the actuators 11 a reverse rotation of the Manufacture wagon bodies opposite the bogies or both measures can be controlled at the same time. It is too note that in practice, angular values in the in Figure 3 shown size can not occur because of the angle of rotation A is usually small and the curvature of the track in Compared to the dimensions of the bogie has a larger radius.
  • the actual position of the car bodies results from the Kink angle K and the twist angle a, as determined by the Articulation angle sensor 9 or the angle of rotation sensor 6 actually measured and as in particular electrical actual value signals K or V output and to the control unit 7 for further processing be directed.
  • the Actual value signals with those derived or calculated from them Buckling angle setpoint signal compared and depending on one Control of the actuators 10 and 11 if necessary. there the actuators 10, 11 can be controlled so that at Actual value signals that lag the setpoint, which result from the Vehicle dynamics originating buckling / or.
  • Torsional forces between the associated car bodies or bogie and Car bodies are supported so that the actual value signals approach the setpoint signals or that they at Overshoot of the actual values beyond the setpoint in opposite direction can be controlled.
  • the actuator arrangement 10, 11 preferably has two each symmetrical to the articulated joint 9 and / or to the bogies 4 arranged actuator elements. While the actuators 11 between bogie 4 and body 1 or 2 present each have to work in the same direction to create a symmetrical one To achieve rotation relative to the associated car body and therefore per bogie at a common exit S 1 / S 2, S 3 / S 4 of the control unit 7 can be connected the actuator elements 10 must be in the area of the respective Articulated joint 9 due to their arrangement in a horizontal Level next to the articulated joint in the opposite sense to be controlled. So it has to stretch one actuator element 10 the other either ineffective or in the sense a reduction in the axial length can be controlled.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs eine Verwendung dieses Schienenfahrzeuges gemäß Anspruch 2, sowie ein Verfahren zur Steuerung des Knickwinkels bei einem derartigen Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Bei einem bekannten Schienenfahrzeug dieser Art (DE-A 2060231) sind zwei Wagenkästen über ein einachsiges Knickgelenk miteinander gekuppelt. Die Wagenkästen stützen sich hier jeweils auf einem etwa in Wagenkastenmitte angeordneten mehrachsigen Drehgestell ab. Die Drehgestelle sind gegenüber dem zugehörigen Wagenkasten um eine vertikale Achse schwenkbar. Die Wagenkästen sind zu beiden Seiten des Knickgelenks über steuerbare Glieder miteinander gekuppelt. Die Steuerung der Stellglieder erfolgt dabei abhängig von Potentiometern als Steuermittel, welche den Verdrehwinkel zwischen dem jeweiligen Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten sowie den Knickwinkel des Knickgelenks erfassen. Die Steuerung der Stellglieder erfolgt in der Weise, daß die Verdrehwinkel jeweils gleich groß sind. Bei diesem Aufbau zeigt es sich, daß die Stellglieder zueinander zur Erzeugung einer ausreichenden Stellkraft wegen der kurzen nutzbaren Hebelarme und der großen zu bewegenden Masse sehr leistungsstark ausgebildet sein müssen. Zudem müssen auch die mechanischen Ankuppelstellen den auftretenden hohen Kräften entsprechend stark bemessen werden und aufgrund der Massenträgheit erfolgt die Nachstellung der Verdrehwinkel nur sehr verzögert.
Ein weiteres Schienenfahrzeug (DE-A 2854776) ist insbesondere als Straßenbahnzug ausgebildet und besteht aus zwei Wagenkästen , von welchen jeder auf einem etwa in Wagenlängsmitte angeordneten zweiachsigen Drehgestell abgestützt ist. Die beiden Wagenkästen sind an ihren aneinander zugewandten Enden über ein Knickgelenk gekuppelt,dessen einzige Schwenkachse senkrecht verläuft. Der Verdrehwinkel zwischen dem jeweiligen Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten wird dabei mittels einer Steuermechanik mit angekuppeltem Wegstreckengeber und der Knickwinkel über mindestens einen dem Knickgelenk zugeordneten Wegstreckengeber ermittelt. Die von den Wegstreckengebern generierten Signale werden einer Steuereinheit zugeführt, welche ein asymmetrisch oder zwei symmetrisch zum Knickgelenk angeordneten Stellglieder steuert. Der Knickwinkel des Knickgelenks wird dabei so beeinflußt, daß die zweiachsigen, drehzapfenlosen Drehgestelle, auf welchen die Wagenkästen über elastische Sekundärfedern abgestützt sind, vollkommen von der Funktion des Kraftspenders befreit werden sollen. Hierbei blockiert die Stellgliedanordnung das Knickgelenk bei Geradeausfahrt in einer Stellung über Gleisstrassenmitte und erzwingt bei Bogenfahrt das Ausknicken des Knickgelenks zur Bogenausseite der Gleisstrasse, um eine verbesserte Nutzung des Lichtraumes bei Kurvenfahrt des Schienenfahrzeuges zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Schienenfahrzeug und ein Verfahren zur Steuerung desselben anzugeben, durch welche die Wagenkästen bei dynamischer Fahrt unter verbesserter Krafteinleitung jeweils in eine Stellung zueinander gesteuert werden, die der statischen Lage im aktuellen Gleisabschnitt entspricht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten, zweiten bzw. des dritten Anspruchs.
Bei einer Ausgestaltung eines Schienenfahrzeugs gemäß der Erfindung werden einerseits der aktuelle Knickwinkel des Knickgelenks und andererseits die Verdrehwinkel zwischen den Drehgestellen und den zugehörigen Wagenkästen ermittelt. die aktuellen Istwerte dieser Winkel werden vorzeichengerecht addiert, wobei der Verdrehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung ersten Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten negiert wird. Das Summenergebnis dieser Addition ist das Maß für den Soll-Knickwinkel,den das Gelenk unter den aktuellen Betriebsbedingungen einnehmen soll. Solange demnach z.B. auf geradem Gleis die Summe der aktuellen Verdrehwinkel vom aktuellen Knickwinkel abweicht, wird über mechanische Stellglieder der Ausknickung des Knickgelenks entgegengewirkt. Diese Stellglieder können zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten vorgesehen sein und durch Verändern des Istwertes des Verdrehwinkels zwangsläufig den Knickwinkel des Knickgelenks beeinflussen. Vorzugsweise werden sowohl dem Knickgelenk als auch den Drehgestellen/Wagenkästen zugeordnete Stellglieder eingesetzt. Insbesondere kann es sich bei den Stellgliedern um gesteuerte Dämpfungselemente handeln, die einer Veränderung der Drehwinkel solange entgegenwirken, wie die von außen einwirkenden Kräfte eine vom Sollwert weglaufende Istwertveränderung hervorrufen. Wird dagegen festgestellt, daß sich der Istwert auf den Sollwert zubewegt, wird die Dämpfungswirkung der Dämpfungselemente aufgehoben. Bewegt sich der Istwert zu schnell auf den Sollwert zu, sodaß ein Überschwingen zu erwarten ist, wird die Istwertänderung durch das Einschalten der Dämpfungswirkung kurz vor Erreichen des Sollwertes abgebremst. Im Falle einer bleibenden oder unverändert zunehmenden Soll-Ist-Abweichung trotz entgegenwirkender Dämpfungselemente, muß eine Traktionsanweisung entweder an ein zentrales Steuergerät oder an den Fahrer des Schienenfahrzeugs ausgegeben werden, wonach beispielsweise bei einer zu starken Knickung das nachlaufende Drehgestell gebremst bzw. der vorlaufende Wagen beschleunigt wird
Weiterhin kann es sich bei den Stellgliedern um aktive Stellelemente handeln, die nicht nur vom Sollwert weglaufenden Istwertänderungen entgegenwirken, sondern auch im Falle fehlender äußerer Rückstellkräfte die Rückführung des Istwertes auf den Sollwert bewirken.
Bei der Messung der Verdrehwinkel und des Knickwinkels wird sinnvollerweise eine Vorzeichendefinition festgelegt, bei der z. B. jeweils vom Wert Null ausgegangen wird, wenn die Längsachse des jeweiligen Drehgestells parallel zur Längsachse des zugehörigen Wagenkastens steht und die Wagenkastenlängsachsen in einer Flucht liegen. Positive Verdrehwinkel treten demnach dann auf, wenn die Wagenkastenlängsachse im Uhrzeigersinn gegenüber der zugehörigen Drehgestellängsachse verdreht ist. Negative Verdrehwinkel werden demnach dann gemessen, wenn die Wagenkastenlängsachse im Gegenuhrzeigersinn gegenüber der Drehgestellängsachse verdreht ist. Negative Werte für den Knickwinkel treten auf, wenn der vorlaufende Wagenkasten im Gegenuhrzeigersinn gegenüber dem nachlaufenden Wagenkasten abknickt. Positive Werte des Knickwinkels treten demnach dann auf, wenn die Längsachse des ersten Wagenkastens im Uhrzeigersinn gegenüber der Längsachse des zweiten Wagenkastens abknickt.
Ein zweigliedriges Schienenfahrzeug mit einem Knickgelenk mit einer senkrechten Drehachse zwischen den beiden Wagenkästen und elastischen Rückstellelementen zwischen Wagenkasten und jeweiligem Drehgestell beansprucht den geringsten Lichtraum in der statischen Ruhestellung. Für diesen Zustand wurde festgestellt, daß die Verdrehwinkel bei Stillstand des Zuges auf einer beliebigen realen Gleistrasse näherungsweise gleich sind. Bei einem so ausgestatteten Schienenfahrzeug kann zur Steuerung des Knickwinkels so verfahren werden, daß zunächst die aktuellen Verdrehwinkel zwischen den Drehgestellen und dem jeweils zugehörigen Wagenkasten sowie der aktuelle Knickwinkel am Knickgelenk unter Beachtung des positiven oder negativen Vorzeichens der Winkel zumindest während des Fahrbetriebes wiederholt gemessen werden. Durch Summenbildung dieser Winkelwerte wird im Steuergerät entsprechend dem Sollwert für den Knickwinkel ein Stellsignal generiert, das bei Abweichung vom tatsächlich am Knickgelenk gemessenen Knickwinkel eine der Knickwinkelabweichung entgegenwirkende mechanische Kraftkomponente steuert. Diese Kraftkomponente wird unmittelbar am Knickgelenk wirksam. Abweichungen von dem idealen, dem minimalen Lichtraumbedarf entsprechenden Knickwinkel können im Betrieb durch unterschiedliche Traktionskräfte an den Drehgestellen, bei ungleich wirkenden Bremsen, bei Gleisfehlern, Durchdrehen eines Antriebsrades, beim Einlauf aus der Geraden in ein gekrümmtes Bogenstück infolge der dann wirksamen dynamischen Trägheitskräfte, im Schubbetrieb oder dergleichen auftreten.
Werden zwei oder mehrere derart gesteuerte zweiteilige Züge mittels je einer Koppelstange aneinandergehängt, wobei die Koppelstangen jeweils über ein Gelenk am zweiten Wagen des vorlaufenden Zuges und am ersten Wagen des nachlaufenden Zuges angelenkt sind, dann werden alle gekoppelten Züge für sich nach dem gleichen Steuerprinzip betrieben.
Ferner kann es zweckmäßig sein, zumindest einen der Verdrehwinkel durch Stellglieder zu beeinflussen, um den beanspruchten Lichtraum zu minimieren. Dabei wird der Verdrehwinkel auf einen Sollwert hin gesteuert, der dem arithmetischen Mittelwert der aktuell im dynamischen Betrieb gemessenen beiden Verdrehwinkel entspricht.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1:
ein zweigliedriges Schienenfahrzeug mit Stell- und Steuermitteln zur Erfassung von Winkeln sowie zur Gegensteuerung,
Fig.2:
das Schienenfahrzeug auf gerader Strecke bei geknickt zueinanderstehenden Wagenkastenlängsachsen und
Fig.3:
das Schienenfahrzeug in einem Gleisbogen.
Bei einem Schienenfahrzeug sind zwei Wagenkästen 1, 2 vorgesehen, die jeder auf nur einem etwa in Wagenkastenlängsmitte angeordneten zweiachsigen drehzapfenlosen Drehgestell 4 über jeweils zwei elastische Sekundärfederelemente 5 auflagern. Die Sekundäfederelemente 5 sind ihrerseits auf einer quer zur Längsachse des jeweiligen Wagenkastens liegenden Linie angeordnet. Die Sekundärfedern 5 lassen neben ihrer vertikalen Federeigenschaft zusätzlich eine Verdrehung um eine virtuelle vertikale Achse und eine begrenzte Querverschiebung zu. Der jeweilige Wagenkasten 1, 2 kann sich dadurch in einer parallelen Ebene zum zugehörigen Drehgestell 4 in begrenztem Maß verdrehen und seitlich verschieben. Dabei ist eine Verschiebung des Drehgestells 4 in Längsrichtung des Wagenkastens durch zumindest einen in Längsrichtung stehenden, schwenkbeweglich am Drehgestell 4 wie am Wagenkasten 1,2 angelenkten Lenker unterbunden, der jeweils die in Wagenkastenlängsrichtung auftretenden Traktionskräfte zwischen Drehgestell 4 und Wagenkasten 1 bzw. 2 überträgt. Die Sekundärfedern 5 ermöglichen somit ein Verdrehen der Längsachse des Drehgestells gegenüber der Längsachse des zugehörigen Wagenkastens um den Winkel A1 bzw. A2 , die an den einzelnen Wagen im Betrieb in der Regel unterschiedlich groß sein können. Zur Erfassung dieser Winkel A ist jeweils ein Verdrehwinkelgeber 6 vorgesehen, der einerseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1, 2 und andererseits mit dem zugehörigen Drehgestell 4 gekoppelt ist. Die Verdrehwinkelgeber 6 erzeugen abhängig vom jeweiligen Verdrehwinkel A Verdrehwinkel- Istwertsignale V 1, V 2, die als Eingangssignale einer Steuereinheit 7 zugeführt werden .
Die Verdrehwinkelgeber 6 erzeugen bei fluchtenden Längsachsen von Drehgestell 4 und zugehörigem Wagenkasten 1 , 2 einen Wert, der dem Verdrehwinkel A von null Grad entspricht. Dreht der Wagenkasten gegenüber dem Drehgestell im Uhrzeigersinn aus, wird ein Signal generiert, das einem positiven Verdrehwinkel entspricht; dreht der Wagenkasten gegenüber dem zugehörigen Drehgestell entgegen dem Uhrzeigersinn aus, wird ein Signal für einen entsprechenden negativen Winkelwert ausgegeben.Die Wagenkästen 1, 2 sind jeweils über ein einziges Knickgelenk 8 miteinander verbunden, das eine senkrechte Gelenkachse aufweist. Dem Knickgelenk ist ein Knickwinkelgeber 9 zugeordnet, der bei in einer Linie liegenden Längsachsen der Wagenkästen 1, 2 ein Knickwinkelsignal generiert, das dem Knickwinkel null Grad entspricht. Schwenkt die Längsachse des Wagenkastens 2 gegenüber der Längsachse des Wagenkasten 1 im Gegenuhrzeigersinn, wird ein Knickwinkelsignal generiert, das einem positiven Knickwinkel entspricht. Knickt die Längsachse des zweiten Wagenkastens dagegen im Uhrzeigersinn gegenüber der Längsachse des Wagenkastens 1 ab, wird ein Knickwinkelsignal entsprechend einem negativen Knickwinkel erzeugt. Die vom Knickwinkelgeber 9 erzeugten Istwertsignale K werden ebenfalls als Eingangs-signale der Steuereinheit 7 zugeführt.In der Steuereinheit 7 wird der Sollwert für den Knickwinkel K dadurch ermittelt, das unter Beachtung der positiven oder negativen Vorzeichen der gemessenen Winkel eine Summenbildung der Istwerte der Verdrehwinkel A1 und A2 sowie des Knickwinkels K durchgeführt wird entsprechend der Beziehung K soll= K ist + A2 - A1.
Das Ergebnis dieser Summation wird in ein Steuersignal umgesetzt, welches über mechanische Kräfte erzeugende Stellglieder auf das Knickgelenk 8 einwirken. Zur Beeinflussung des Knickwinkels K sind als Stellglieder symmetrisch zum Knickgelenk 8 zwischen den einander zugewandten Enden der benachbarten Wagenkästen 1, 2, angeordnete steuerbare hydraulische Aktorelemente 10 vorgesehen, mit welchen eine Kraftkomponente zwischen den benachbarten Wagenkästen 1, 2 erzeugt werden kann, welche entsprechend dem zugehörigen Steuersignal eine funktionsgerechte Vergrößerung oder Verkleinerung des Knickwinkels K-ist bewirkt. Wenn außer dem Knickwinkel K auch zumindest einer der Verdrehwinkel A1 und/oder A2 gesteuert wird, dann wird aus den beiden aktuell gemessenen dynamischen Verdrehwinkelwerten der arithmetische Mittelwert gebildet und mittels zugehöriger Aktoren 11 der oder beide Verdrehwinkel am jeweiligen Drehgestell/Wagenkasten unter Beachtung der jeweils gewählten Vorzeichendefinition auf diesen Mittelwert hin gesteuert. Dabei wird davon ausgegangen, daß die beiden Verdrehwinkel A1 und A2 bei Beanspruchung des minimalen Lichtraumes näherungsweise gleich groß sind. Die von den Aktoren 11 erzeugten Kraftkomponenten wirken jeweils der Abweichung entgegen. Diese Aktorelemente 11 stehen in symmetrischer Anordnung einerseits mit dem jeweiligen Drehgestell 4 und andererseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1, 2 in Wirkverbindung, um eine Verdrehung derselben gegeneinander entspechend dem geforderten Knickwinkel durchführen zu können. Dabei reicht ggf. auch eine Aktoranordnung an nur einem Drehgestell.
Jedes Aktorelement 10 ist mit einem Aktor-Steuereingang AST ausgestattet, die an entsprechende Aktor-Steuerausgänge AST1 und AST2 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind. Die Aktor-Elemente 11 weisen ebenfalls Steuereingänge S auf, die ihrerseits an entsprechende Steuerausgänge S 1 bis S 4 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind. Dabei können jeweils die Steuereingänge für die Aktoren 11 eines Drehgestells 4 parallel geschaltet sein, um eine unsymmetrische Verdrehung des Drehgestells unter der Wirkung dieser Aktoren 11 zu verhindern.
Die Räder der beiden Radsätze jedes Drehgestells 4 laufen spurgebunden in einer Gleistrasse 13, so daß das zugehörige Drehgestell zwangsläufig eine durch den aktuell befahrenen Gleisabschnitt bestimmte Lage einnimmt. Diese Lage entspricht im wesentlichen der Tangente an den Gleisbogenabschnitt 13 im Bereich des betreffenden Drehgestells 4. Infolge der am Knickgelenk 8 gekoppelten Wagenkästen 1, 2 können sich dieselben im dynamischen Fahrbetrieb nicht frei entsprechend der Stellung des Drehgestells ausrichten. Es ergibt sich dadurch eine Verdrehung der Sekundärfedern 5 um eine virtuelle vertikale Achse und in der Regel auch eine leichte Verschiebung quer zur Wagenkastenlängsachse WKL1 bzw. WKL2. Diese Verdrehung und Querverschiebung muß von den jeweiligen Paaren der Sekundärfedern 5 aufgenommen werden, d. h. die Sekundärfedern 5 speichern die sich daraus ergebende Energie. Im statischen Zustand, also bei ungebremst stehendem Schienenfahrzeug nimmt die Summe dieser Einzelenergien einen Minimalwert an. Im Fahrbetrieb wird diese Energie aufgrund zusätzlich einwirkender dynamischer Kräfte verändert. Dementsprechend ist der vom gesamten Schienenfahrzeug beanspruchte Lichtraum im statischen Betrieb ein Minimum und erreicht im Fahrbetrieb Werte, die den im statischen Betrieb beanspruchten Lichtraum überschreiten können. Um dem entgegenwirken zu können, wird bei der Steuerung so verfahren, daß die Wagenkästen 1, 2 im dynamischen Fahrbetrieb abhängig von den aktuell gemessenen Istwerten der Verdrehwinkel A und des Knickwinkels K in eine an sich dem statischen Zustand entsprechende Stellung mit Hilfe der Aktoren 10 und gegebenenfalls 11 gesteuert werden.
Bei einer Konstellation gemäß Figur 2 steht ein zweigliedriges Schienenfahrzeug auf einer geraden Gleisstrecke 13. Dabei befindet sich der Wagen 2 im Schubbetrieb, so daß das Knickgelenk 8 und damit die Wagenkastenlängsachsen WKL 1 und WKL 2 gegenüber den in einer Flucht mit der Gleisstrecke 13 liegenden Drehgestellängsachsen DGL1 und DGL2 seitlich ausgelenkt werden. Der Verdrehwinkelgeber 6 am vorauslaufenden Wagen 1, 4 registriert hierbei einen positiven Verdrehwinkel A1, während der Verdrehwinkelgeber 6 am zweiten Wagen 2, 4 einen im Betrag geich großen negativen Verdrehwinkel A2 registriert, nachdem die Wagenkastenlängsachse WKL2 im Gegensatz zur Wagenkastenlängsachse WKL 1 im Gegenuhrzeigersinn gegenüber der Drehgestellängsachse 1 verdreht ist. Der aktuelle Knickwinkel nimmt daher definitionsgemäß einen positiven Knickwinkelwert K-Ist an, der gemäß Figur 1 der Summe der Absolutwerte der Verdrehwinkel A1-Ist und A2-Ist entspricht. Für den Knickwinkel K-Soll ergibt sich demnach gemäß der formel-mäßigen Bedingung der Wert Null. Der oder die Aktoren 10 oder 11 müssen daher so gesteuert werden, daß der Knickwinkel zum Wert null hingeführt wird, die Wagenkastenlängsachsen 1 und 2 also in einer Flucht mit den Drehgestellängsachsen 1 und 2 und damit bei geradem Gleis 13 auch zu dessen Längsachse parallel liegen.
Werden als Aktoren nur steuerbare Dämpfungselemente verwendet, dann werden bereits dann, wenn eine Auslenkung des Knickgelenks 8 zur Seite hin beginnt, die Aktoren 10 auf hohe Dämpfungswerte geschaltet, so daß ein seitliches Auslenken des Knickgelenks praktisch unterbunden wird. Eine Rückstellung des Knickgelenks erfolgt im Betrieb beispielsweise selbsttätig dann, wenn der Schubbetrieb des Wagens 2 endet oder der voraus-laufende Wagen zieht oder weniger stark gebremst wird. Die Rückstellkräfte der Sekundärfedern 5 unterstützen das Rückdrehen der Wagenkastenlängsachsen in die Flucht mit den Drehgestellängsachsen, wobei bei einer auf den Knickwinkel-Sollwert hinlaufenden Änderung des aktuell gemessenen Knickwinkel-Istwertes K ist die Dämpfungswirkung der Aktoren 10 zweckmäßig ganz aufgehoben werden kann. In entsprechender Weise können auch die Aktoren 11 zwischen Drehgestell 4 und zugehörigem Wagenkasten 1 und/oder 2 einer vom Sollwert weglaufenden Änderung durch Bedämpfung der Verdrehung entgegenwirken. Wenn diese Dämpfungsmaßnahmen nicht ausreichen, kann die Steuereinheit 7 zusätzlich ein Abbremsen des zweiten Wagens 2, 4 oder ein Beschleunigen des ersten, vorauslaufenden Wagens 1, 4 anweisen oder über Antriebsmotoren der Drehgestelle steuern. Werden aktiv krafteinleitende Aktoren 10 und/oder 11 verwendet, können die notwendigen Kraftkomponenten zur Hinführung des Knickwinkel-Istwertes auf den Knickwinkel-Sollwert aktiv gesteuert werden.
Bei ziehendem Betrieb des ersten Wagens 1, 4 auf einem gleichmäßig gekrümmten Gleisstück 13 besteht die Gefahr, daß der Knickwinkel-Istwert K-Ist einen zu kleinen Wert annimmt, so daß gemäß Figur 3 die freien Enden der beiden Wagenkästen 1 und 2 nach bogenaußen und die mittleren Wagenenden mit dem Knickgelenk 8 nach bogeninnen schwenken und damit den Lichtraumbedarf vergrößern. Aus der hinsichtlich der geometrischen Verhältnisse zur Verdeutlichung der Funktion überzeichnet dargestellten geometrischen Gegebenheiten ergibt sich, daß der Knickwinkel K-Ist wesentlich kleiner als der Sollwert K-Soll ist, der sich am Schnittpunkt der verlängerten Drehgestellängsachsen DGL1 und DGL2 ergibt. Dieser Knickwinkel-Sollwert ergibt sich unter Berücksichtigung von durch das Drehgelenk 8 gelegten parallelen Linien zu den Drehgestellängsachsen gemäß Figur 3 als Summe der Absolutwerte des Knickwinkel-Istwerts K-Ist und der Verdrehwinkel A1 und A2. Das Steuergerät 7 gibt somit an die Aktoren 10, 11 in diesem Falle Steuersignale aus, die eine Vergrößerung des aktuell gemessenen Knickwinkels bewirken. Sofern die Vergrößerung des aktuellen Knickwinkel-Istwertes nicht durch Verzögerung am vorauslaufenden Wagen 1, 4 oder Beschleunigen des zweiten Wagens 2, 4 ausgeführt wird, müssen aktive Kraftkomponente der Aktoren 10 das Knickgelenk verstärkt knicken oder die Aktoren 11 eine Rückdrehung der Wagenkästen gegenüber den Drehgestellen bewerkstelligen bzw. könen beide Maßnahmen zugleich gesteuert werden. Dabei ist zu beachten, daß in der Praxis Winkelwerte in der in Figur 3 dargestellten Größe nicht auftreten können, da der Verdrehwinkel A in der Regel klein ist und die Gleisbogenkrümmung im Vergleich zu den Drehgestellabmessungen einen wesentlich größeren Radius aufweist.
Die Iststellung der Wagenkästen ergibt sich aus dem Knickwinkel K und den Verdrehwinkeln a, wie sie durch den Knickwinkelgeber 9 bzw. die Verdrehwinkelgeber 6 tatsächlich gemessen und als insbesondere elektrische Istwert-Signale K bzw. V ausgegeben und an die Steuereinheit 7 zur Weiterverarbeitung geleitet werden. In der Steuereinheit werden die Istwert-Signale mit dem daraus abgeleiteten bzw. berechneten Knickwinkel-Sollwertsignal verglichen und abhängig davon eine Steuerung der Aktoren 10 und ggfs 11 durchgeführt. Dabei können die Aktoren 10, 11 so gesteuert werden, daß bei Istwert-Signalen, die dem Sollwert nacheilen, die aus der Fehrzeugdynamik herrührenden Knick-/bzw. Verdrehkräfte zwischen den zugehörigen Wagenkästen bzw. Drehgestell und Wagenkasten so unterstützt werden, daß die Istwert-Signale sich den Sollwert-Signalen annähern bzw. daß sie beim Überschwingen der Istwerte über den Sollwert hinaus in gegenläufiger Richtung gesteuert werden. Werden die Aktoren dagegen nur als Dämpfungselemente ausgebildet, ist eine aktive Unterstützung der Drehbewegungen zur schnelleren Annäherung der Istwerte an die Sollwerte nicht möglich, jedoch wird dann, wenn der Istwert den Sollwert erreicht hat und anschließend vom Sollwert wegläuft, eine Bedämpfung der entsprechenden Wagenkastenbewegung bewirkt. Sobald wieder eine Annäherung des Istwertes an den Sollwert erfolgt, wird diese Bedämpfung aufgehoben, damit sich der Knickwinkel dem Sollknickwinkel möglichst ungehindert annähern kann.Bewegt sich der Istwert zu schnell auf den Sollwert zu, sodaß ein überschwingen zu erwarten ist, wird die Istwertänderung durch das Einschalten der Dämpfungswirkung kurz vor Erreichen des Sollwertes abgebremst.
Die Aktor-Anordnung 10, 11 weist vorzugsweise je zwei symmetrisch zum Knickgelenk 9 und/oder zu den Drehgestellen 4 angeordnete Aktorelemente auf. Während die Aktoren 11 zwischen Drehgestell 4 und Wagenkasten 1 bzw. 2 vorliegend jeweils gleichsinnig arbeiten müssen, um eine symmetrische Verdrehung gegenüber dem zugehörigen Wagenkasten zu erreichen und daher je Drehgestell an einem gemeinsamen Ausgang S 1/S 2, S 3/S 4 der Steuereinheit 7 angeschlossen werden können, müssen die Aktor-Elemente 10 im Bereich des jeweiligen Knickgelenks 9 aufgrund ihrer Anordnung in einer waagerechten Ebene jeweils neben dem Knickgelenk im gegenläufigen Sinne gesteuert werden. Es muß also beim Strecken des einen Aktor-Elements 10 das andere entweder wirkungslos oder im Sinne einer Verkürzung der axialen Länge gesteuert werden. Bei einer Steuerung der Wagenkästen durch Beeinflussung des Knickwinkels zwischen den Wagenkastenlängsachsen, ggf. unter Zuhilfenahme der Steuerung der Drehgestelle gegenüber den Wagenkästen, erreicht somit die Wagenkastenstellung zueinander eine weitgehend dem statischen Betrieb angenäherte Zuordnung im dynamischen Fahrbetrieb. Das Schienenfahrzeug erfordert dann in Bezug auf den tatsächlichen Gleistrassenverlauf nur einen zumindest angenähert idealen Lichtraumbedarf und hält denselben insbesondere dann ein, wenn Fehlfunktionen an Brems- und/oder Antriebselementen oder andere Einflußfaktoren zu einem Schubbetrieb mit Ausknickung des Kuppelgelenks führen könnten oder Zugkräfte bei Bogenfahrt den Knickwinkel zu klein werden lassen würden.

Claims (5)

  1. Schienenfahrzeug mit zwei über ein einachsiges, um eine senkrechte Achse schwenkbares Knickgelenk (8) gekuppelten Wagenkästen (1, 2), die jeweils über elastische Federelemente (5) auf einem im Längsmittenbereich des Wagenkastens (1, 2) angeordneten mehrachsigen Drehgestell (4) aufsitzen, und mit Steuermitteln (6, 7, 9) zur Erfassung des Drehwinkels (11, 12) zwischen Wagenkasten (1, 2) und Drehgestell (4) sowie des Knickwinkels (K) am Knickgelenk (8) und mit steuerbaren Stellgliedern (10, 11) zur-Beeinflussung des Knickwinkels (K), der abhängig von den Steuermitteln (6, 7, 9) gemäß der Beziehung K-Soll = K-Ist + A2-ist - A1-Ist gesteuert ist, wobei
    K-Soll der Sollwert des Knickwinkels,
    K-Ist der aktuelle Istwert des Knickwinkels,
    A1-Ist der aktuelle Drehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung vorlaufenden Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten und
    A2-ist der aktuelle Drehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung nachlaufenden Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich oder alternativ zu den Stellgliedern (10) am Knickgelenk (8) weitere Stellglieder (11) zumindest zwischen einem der Wagenkästen (1, 2) und dem zugehörigen Drehgestell (4) vorgesehen sind und daß die Stellglieder (10, 11) steuerbare Dämpferelemente sind.
  2. Verwendung mehrerer Schienenfahrzeuge nach Anspruch 1, die miteinander über je eine Koppelstange verbunden sind, welche an benachbarten Wagenkästen je ein Gelenk aufweist.
  3. Verfahren zur Steuerung des Knickwinkels bei einem Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem die aktuellen Verdrehwinkel zwischen den Drehgestellen und dem jeweils zugehörigen Wagenkasten sowie der aktuelle Knickwinkel am Knickgelenk gemessen werden und der Knickwinkel durch Krafteinwirkung auf das Knickgelenk entsprechend der Summe aus dem aktuellen Knickwinkel, dem aktuellem Verdrehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung nachlaufenden Drehgestell und Wagenkasten sowie dem aktuellen negierten Verdrehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung ersten Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den aktuell gemessenen Verdrehwinkeln der arithmetische Mittelwert gebildet wird und daß zumindest ein Verdrehwinkel auf den arithmetischen Mittelwert hin gesteuert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Knickwinkel des Knickgelenks mittels zugeordneter Stellglieder in Abhängigkeit vom Knickwinkel-Sollwert verändert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß, die Stellglieder auf hohe Dämpfungswerte geschaltete werden, wenn der Knickwinkel-Ist-Wert vom Knickwinkel-Soll-Wert wegläuft.
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